光學(xué)頭基本原理及結(jié)構(gòu)

1、光學(xué)頭,1,2,,,,,第一回: 前 言.光學(xué)頭是光盤驅(qū)動(dòng)器/播放機(jī)的重要部件，主要功 能是信號(hào)記錄和讀出，是利用聚焦的激光束來完成的.激光頭是從光盤上拾取信息的執(zhí)行部件。光學(xué)頭 通過讀取光束聚焦于信號(hào)面上,并正確跟蹤掃描 軌跡,同時(shí)將反射回來的光信號(hào)變成電信號(hào),從而 讀出信息.因此,光學(xué)頭能否在某些光盤上讀取信息,取 決于光學(xué)頭的技術(shù)性和盤片的物理結(jié)果是否匹配。 DVD盤片物理結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)決定了DVD

2、光學(xué)頭的結(jié) 構(gòu)和功能.,3,,,,,第二回:光學(xué)頭原器件.光學(xué)頭均由兩部分組成：一部分為物鏡機(jī)構(gòu)，俗稱光學(xué)頭；另一部分是將其余各鏡片、激光發(fā)射二極管和光敏接收器安裝在同一個(gè)腔體內(nèi)，俗稱激光槍。光學(xué)頭安裝在激光槍上面，通過螺釘聯(lián)成一個(gè)整體，構(gòu)成激光頭組件。激光頭由激光產(chǎn)生（發(fā)射）系統(tǒng)、激光傳播系統(tǒng)（光路或激光槍）和光接收系統(tǒng)等部分構(gòu)成。,4,,,,,,第二回:光學(xué)頭原器件.雷射二極管: 提供讀取頭光源光束整型器: 將激光束

3、由橢圓整形為接近圓形繞 射光 柵: 產(chǎn)生所需的繞射光束準(zhǔn)直透鏡: 將雷射二極管所發(fā)出的光整平為平行光偏光分光鏡: 可將不同偏極化光分離¼波 長(zhǎng) 板: 將線性偏極化光轉(zhuǎn)為圓偏極化光物 鏡: 將雷射光聚焦在光盤片數(shù)據(jù)層上光偵測(cè)器 : 將光訊號(hào)轉(zhuǎn)為電訊號(hào),5,,,,,,第二回: 光學(xué)頭原器件.,下,,6,,,,,第三回: 光學(xué)頭工作原理.,6-1: 光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)之激光對(duì)盤片工作示意.,,,通過利用被聚焦到回

4、折界限的最小激光束，穿過0.6mm的透明塑料層，從凹(Pit)凸(Land)信息面取出信號(hào).參考圖1.,7,,,,,,第三回: 光學(xué)頭工作原理.,光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)之巡軌示意.,,巡軌作用: 光盤的形狀中心和光盤的回轉(zhuǎn)中心之間的偏心補(bǔ)正，還有對(duì)于在軌道間距為0.74μm的軌道上，精度正負(fù)0.1μm控制激光束對(duì)軌道的追跡控制用誤差檢出機(jī)能和控制用的伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)藏在光學(xué)頭里頭.,8,,,,,,第三回: 光學(xué)頭工作原理.,光學(xué)頭基本光學(xué)系統(tǒng)

5、之讀出盤片信息原理.,光學(xué)頭能夠讀出光盤上的信號(hào)的原理是: 從激光二極管射出的發(fā)散P線性偏振激光通過準(zhǔn)直透鏡，成為平行光，再通過1/4波長(zhǎng)片時(shí)，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏光被對(duì)物透鏡聚焦到光盤的信息面，再反射回來（根據(jù)盤面的凸凹對(duì)光的反射不同），通過1/4波長(zhǎng)片時(shí)，再一次偏振方向被旋轉(zhuǎn)45度，成為S線性偏振光，在偏光分光棱鏡PBS處被反射到誤差檢出系和信號(hào)系，反射光再一次被分為兩路，誤差系的

6、一路通過凸透鏡、圓柱透鏡，投影到四分割的光電二極管上，根據(jù)各象限光量的大小，進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)聚焦和尋軌伺服機(jī)構(gòu)控制，使之讀出正確的信號(hào)，另一路信號(hào)系的光束由凸透鏡會(huì)聚到光電二極管，把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。,9,,,,,,第四回:光學(xué)頭技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).,摘要: 為了實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，DVD盤片使用波長(zhǎng)為650/635nm的激光且物NA應(yīng)大于0.6。而CD則使用780nm的激光且數(shù)值孔徑約為0.4。為了能與CD類光盤兼容，DVD播放器

7、/驅(qū)動(dòng)器中除了要有完成CD類盤片的解碼電路外，其光學(xué)頭也需能同時(shí)讀取CD盤片.概述:    根據(jù)DVD標(biāo)準(zhǔn)，DVD盤片的盤基厚度為0.6mm，而傳統(tǒng)CD盤片的盤基厚度為1.2mm。由于DVD與CD盤盤基厚度及存儲(chǔ)密度上存在差異，對(duì)二者的兼容讀出帶來了一定的問題。因此除擁有CD的解碼器外，在設(shè)計(jì)DVD光學(xué)頭時(shí)必須考慮到讀取現(xiàn)有CD的能力。為了解決光學(xué)頭的兼容問題，在DVD光學(xué)頭設(shè)計(jì)上產(chǎn)生出多種方案

8、，如兩套獨(dú)立讀出系統(tǒng)、全息物鏡、液晶光闌、雙物鏡等，接下來將對(duì)照比較.,10,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,光盤儲(chǔ)存技術(shù)由CD發(fā)展至DVD，容量由650MB提升至4.7GB約為6～7倍，且DVD播放器已進(jìn)入家庭成為家庭影院的重要成員，光儲(chǔ)存技術(shù)的日新月異已大量散播影音娛樂到各個(gè)家庭。隨后出現(xiàn)可寫入型DVD盤片，規(guī)格區(qū)分為由DVD Forum支持的DVD－R/RW與DVD＋RW Alliance推動(dòng)的DVD＋R/

9、RW兩種，直到目前兩規(guī)格還尚未統(tǒng)一，但也因?yàn)镈VD-Dual以及DVD-Multi等復(fù)合式碟機(jī)的推出，逐漸擺脫了彼此無(wú)法兼容的問題，此外DVD錄放機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，可記錄約133分鐘經(jīng)MPEG2編碼的影視信息或可寫入型DVD光驅(qū)儲(chǔ)存之高密度數(shù)據(jù),11,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較.,藍(lán)光規(guī)格兩大勢(shì)力相繼崛起 繼DVD之后世界主流廠商均以藍(lán)光HD-DVD為光儲(chǔ)存的研發(fā)重點(diǎn)，在2002年2月19日由9家國(guó)際主流

10、電子巨頭（9C；Matsushita、Hitachi、Pioneer、Sharp、Philips、Tohomson、Samsung、LGE）共同發(fā)表的Blu-Ray Disc規(guī)格，可擦寫23GB、25GB及27GB為主，起初目的是以Rewirtable Disc為切入點(diǎn)以配合即將普及的HD-TV，所以沒有考慮兼容性的問題，因此并未提交DVD Forum進(jìn)行討論。另外2002年8月由日本Toshiba及NEC兩家公司共同發(fā)表了AOD（Ad

11、vanced Optical Disc）讀寫容量為20GB，所提出的規(guī)格是較易與現(xiàn)有的DVD產(chǎn)品達(dá)到兼容效果，也于DVD Forum提出并與各會(huì)員公司進(jìn)行規(guī)格之細(xì)步討論與制定，最后順利推出HD-DVD規(guī)格。,12,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD High Definition DVD（HD-DVD） . HD-DVD盤片初步定為只讀型及可復(fù)寫型兩種，只讀型單面單層為15GB、單面雙層為30

12、GB；單面雙層可復(fù)寫型20GB、單面雙層則為40GB。采用雷射波長(zhǎng)為405nm的藍(lán)光及透鏡數(shù)值孔鏡值（NA）為0.65的物鏡來記錄和播放由2張厚度為0.6mm的盤片底板粘貼而成的光盤規(guī)格。,,13,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,HD-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: 因?yàn)镹A值與現(xiàn)行DVD盤片接近且盤片結(jié)構(gòu)與DVD相同，因此更容易與現(xiàn)行DVD光盤保持兼容性，且可繼續(xù)使用現(xiàn)有DVD光盤的生產(chǎn)設(shè)

13、備，便于擴(kuò)大光盤和物鏡的距離，不需要光盤卡匣等，大大的降低從現(xiàn)有DVD過渡至HD-DVD所需的成本。而另一方面，為了控制由光盤彎曲和扭曲造成的傾斜角，就必需要有傾斜補(bǔ)償伺服裝置；而Blu-Ray Disc規(guī)格的0.1mm覆蓋層由于對(duì)傾斜角的容許量較大，因此不需要傾斜補(bǔ)償伺服。但因?yàn)?.1mm規(guī)格的覆蓋層容易出現(xiàn)由厚度誤差引起的球面相差，因此就必須對(duì)物鏡加入補(bǔ)償裝置。,,,,14,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,H

14、D-DVD DVD 與HD-DVD的兼容性: HD-DVD記錄方式采用與DVD-RAM相同的land及溝槽記錄的方式提高記錄容量，Blu-Ray Disc則是使用溝槽紀(jì)錄的方式。HD-DVD在盤片的land及溝槽間隔的設(shè)計(jì)上比較寬，因此可以得到明顯的跟軌誤差訊號(hào)（Tracking Error Signal），相較于一般溝槽記錄的規(guī)格比較，推挽（push-pull）方式跟軌誤差的S/N值大于10dB，之后即使要進(jìn)一步縮小軌距

15、也可方便地重新設(shè)計(jì)。,,,,15,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量:,,,,16,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量: BD盤片是由厚度為1.1mm的基盤與0.1mm厚度干凈、無(wú)缺陷的覆蓋層為保護(hù)層組合形成的，所以當(dāng)盤片有指紋、刮痕或是灰塵時(shí)對(duì)光盤的讀寫質(zhì)量是有相當(dāng)?shù)挠绊懀铱s短雷射波長(zhǎng)及提高NA值，若以紅

16、光DVD雷射光點(diǎn)面積為100％，BD光點(diǎn)的面積比為DVD的19％，以致缺陷（defect）可能比光點(diǎn)大很多導(dǎo)致抵抗能力有限，因此需有較強(qiáng)的ECC修正功能、hard coating或是卡匣等等的保護(hù)，請(qǐng)參考（圖三）,,,17,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量:,,,,,18,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量:

17、 比較現(xiàn)有DVD與HD-DVD及BD盤片，不同盤片對(duì)于平坦度的影響，而盤片的容許傾角范圍與平坦度有相當(dāng)?shù)年P(guān)系。平坦度正比于λ/（t × NA3），比較時(shí)以現(xiàn)有DVD當(dāng)成比較的依據(jù)，HD-DVD的NA值與DVD接近，但波長(zhǎng)（λ）縮短至405nm，所以盤片容忍度約為DVD的一半。而BD因?yàn)镹A值比DVD大1.42倍，導(dǎo)致光軸與光盤記錄面的容許傾角范圍縮小2.9倍，且波長(zhǎng)縮短又使得容許傾角范圍縮小1.6倍，又容許傾角范圍與盤片覆蓋

18、層厚度及NA的3次方成反比，因此基于傾角考慮選取0.1mm的覆蓋層以減其厚度，以改善光盤片與光軸入射角度偏離90度的相差問題，其容忍度也與DVD較接近，請(qǐng)參考（表二）。,,,,19,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量:,,,,,,20,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量: 盤片記錄容量受到NA值及雷

19、射波長(zhǎng)的影響，將BD記錄容量（0.85/405）2除以DVD記錄容量（0.60/650）2可計(jì)算出BD記錄密度為DVD的5倍左右，以相同的方式計(jì)算HD-DVD約只有DVD的3倍。在RF訊號(hào)處理上BD采用limit equalizer，其架構(gòu)較簡(jiǎn)單，抑制ISI的效果有限，因?yàn)锽D采用高NA且縮小最小pit的長(zhǎng)度，所以本身ISI的現(xiàn)象相較于HD-DVD就不是很嚴(yán)重，但在實(shí)際應(yīng)用上也可加入PRML技術(shù)，以提升數(shù)據(jù)判斷的正確性。,,,,,21,

20、,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量: 綜合上述，光盤片的發(fā)展由CD、DVD、一直到近期發(fā)展的藍(lán)光光盤片各個(gè)波長(zhǎng)、NA值、記錄層的位置及顯微鏡觀察的歸納結(jié)果可參考（圖四）。盤片發(fā)展的趨勢(shì)是軌距及光點(diǎn)越來越小，記錄的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也越來越小以獲得較大的紀(jì)錄密度。（表四）為DVD-RW、HD-DVD及Blu-Ray Disc的規(guī)格比較表。,,,,,,22,,,,,第五回:

21、CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc更大的儲(chǔ)存容量:,,,,,,,23,,,,,,第五回: CD|DVD |BD光學(xué)頭比較表.,Blu-Ray Disc結(jié)論:　 HD-DVD規(guī)格相較于BD規(guī)格最大的優(yōu)勢(shì)就在于能夠兼容現(xiàn)行的DVD，使得盤片生產(chǎn)廠商由DVD轉(zhuǎn)換至HD-DVD時(shí)所需的成本能夠降到最低，就生產(chǎn)技術(shù)上而言HD-DVD也較BD的困難度低。BD盤片的覆蓋層只有0.1mm，防刮防污能力差，需要卡匣且生產(chǎn)

22、制程較困難；而HD-DVD盤片雖然記錄容量較小，但防刮防污能力好，不需卡匣，因此生產(chǎn)制程較容易且成本較低?！VD Forum為國(guó)際制訂DVD規(guī)格主導(dǎo)者，目前DVD Forum成員亦針對(duì)藍(lán)光新規(guī)格彼此展開競(jìng)爭(zhēng)。目前DVD Forum的20家Steering Committee的成員分別支持兩種藍(lán)光光盤規(guī)格，形成HD-DVD（12家）與Blu-ray Disc（11家）分庭抗?fàn)幍木置?，那一方?huì)勝出還有待今年的持續(xù)觀察。,,,,,,,,2